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文章关键词:best365官网app,数组处理器

  CPU的全称是Central Processing Unit,也是你的电脑中最硬核的组件。CPU与计算机的关系就相当于大脑和人的关系,它是一种小型的计算机芯片,通常嵌入在电脑的主板上。

  CPU的构建是通过在单个计算机芯片上放置数十亿个微型晶体管来实现。这些晶体管使它能够执行运行存储在系统内存中的程序所需的计算,所以,也可以说CPU决定了你电脑的计算能力。

  CPU的工作核心是从程序或应用程序中获取指令并且执行计算。这个过程一共有三个关键阶段:提取,解码和执行。CPU先从系统的RAM中提取指令,随后解码该指令的实际内容,最后再由CPU的相关部分执行该指令。

  刚才提到了很多CPU的重要性,那么CPU的内部结构是什么呢?又是由什么组成的呢?下图展示了一般程序的运行流程(以C语言为例),一般来说,了解程序的运行流程是掌握程序运行机制的基础和前提。

  在这个流程中,CPU负责解释和运行最终转换成机器语言的内容。CPU主要由两部分构成:控制单元和算数逻辑单元(ALU)。

  CPU和内存都是由许多晶体管组成的电子部件,best365官网app可以把它比作计算机的心脏和大脑。它能够接收数据输入,执行指令并且处理相关信息。它与输入/输出(I / O)设备进行通信,这些设备向 CPU 发送数据和从 CPU 接收数据。

  从功能上来看,CPU的内容是由寄存器、控制器、运算器和时钟四部分组成的,各个部分之间通电信号来连通。best365官网app

  接下来简单介绍一下内存,为什么说到CPU需要讲一下内存呢?因为内存是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都在内存中得到运行的。

  内存一般又被称为主存,它的作用是存放CPU中的运算数据,以及与硬盘等外部存储设备交换的数据。CPU会在计算机运转时,把需要运算的数据调到主存中进行运算。在运算完成之后,CPU将结果传送出来,主存的运行也决定了计算机的稳定运行。

  主存一般通过控制芯片与CPU相连,由可读写的元素构成,每个字节都有一个地址编号。CPU通过地址从主存中读取数据和指令,也可以根据地址写入数据。注意一点:当计算机关机时,内存中的指令和数据也会被清除。

  在CPU的四个结构中,寄存器的重要性远远高于其余三个。为什么这么说?因为程序通常是把寄存器作为对象来进行描述的。

  而说到寄存器,就不得不说到汇编语言,说到汇编语言,就不得不说到高级语言,说起高级语言也就不得不提及语言的概念。

  人和人之间最古老和直接的沟通媒介是语言。但是和计算机沟通,就必须按照计算机指令来交换,其中就涉及到语言的问题。

  最早,为了解决计算机和人类的交流的问题,出现了汇编语言。但是汇编语言晦涩难懂,所以又出现了像是 C,C++,Java的这种高级语言。因此,计算机语言一般分为低级语言和高级语言。

  使用高级语言编写的程序,经过编译转换成机器语言后才能运行,而汇编语言经过汇编器才能转换为机器语言。

  这是采用汇编语言编写程序的一部分。汇编语言采用助记符来编写程序,每个原本是电信号的机器语言指令会有一个与其对应的助记符。比如,mov,add分别是数据的存储(move)和相加(addition)的简写。

  汇编语言和机器语言一一对应。这点和高级语言不同,我们通常把汇编语言编写的程序转换为机器语言的这个过程,称之为汇编。与之相反,将机器语言转化为汇编语言的过程称之为反汇编。

  汇编语言可以帮助你理解计算机做了什么工作,机器语言级别的程序通过寄存器来处理,上面代码中的eax,ebp都是表示的寄存器,它们是CPU内部寄存器的名称。因此,可以说 CPU 是一系列寄存器的集合体。

  一般,在内存中的存储通过地址编号来表示,寄存器的种类是通过名字来区分。那些不同类型的CPU,其内部寄存器的种类、数量以及寄存器存储的数值范围也都是不同的。不过,best365官网app根据功能的不同,我们可以将寄存器划分为下面几类:

  其中,程序计数器、标志寄存器、累加寄存器、指令寄存器和栈寄存器只有一个,其他寄存器一般有好几个。

  程序计数器是用来存储下一条指令所在单元的地址。程序在执行时,PC的初值作为程序第一条指令的地址,在顺序执行程序时,控制器先按照程序计数器所指出的指令地址,从内存中取出一条指令,随后分析和执行该指令,并同时将PC的值加1指向下一条要执行的指令。

  这是一段进行相加的操作,程序启动,在经过编译解析后,会经由操作系统把硬盘中的程序复制到内存中。以上示例程序,就是将123和456执行相加的操作,随后将结果输出到显示器上。因为使用机器语言很难描述,所以这些都是经过翻译后的结果。

  事实上,每个指令和数据都有可能分布在不同的地址上,但是为了更好的说明,就把组成一条指令的内存和数据放在了一个内存地址上。

  地址0100是程序运行的起始位置,Windows等操作系统把程序从硬盘复制到内存以后,就会将程序计数器作为设定为起始位置0100,然后再执行程序,每次执行一条指令后,程序计数器的数值就会增加1,或者是直接指向下一条指令的地址。随后,CPU会根据程序计数器的数值,从内存中读取命令并且执行,换言之,程序计数器控制着程序的流程。

  小伙伴们都学过高级语言,高级语言汇总的条件控制流程主要分为顺序执行、条件分支、循环判断三种。

  一般情况下,顺序执行的情况较简单,每次执行一条指令程序计数器的值就是+1。条件和循环分支会使得程序计数器的值指向任意的地址,这样一来,程序就可以返回到上一个地址来重复执行同一个指令,或者跳转到其它任意指令。

  程序的开始过程和顺序流程是一样的,程序的顺序流程和开始过程相同。CPU从0100处就开始执行命令,在0100和0101中都是顺序执行,PC的值顺序+1,执行到0102地址的指令时,判断0106寄存器的数值大于0,跳转到0104地址的指令,再将数值输到显示器中,随后结束程序,0103的指令就被跳过了。

  这和我们程序中的if()判断相同,在不满足条件的情况下,指令一般会直接跳过。因此,PC的执行过程没有直接+1,而是下一条指令的地址。

  条件和循环分支会使用到 jump(跳转指令),会根据当前的指令来判断是否跳转,上面我们提到了标志寄存器,无论当前累加寄存器的运算结果是正数、负数还是零,标志寄存器都会将其保存。

  CPU 在进行运算时,标志寄存器的数值会根据当前运算的结果自动设定,运算结果的正、负和零三种状态由标志寄存器的三个位表示。标志寄存器的第一个字节位、第二个字节位、第三个字节位各自的结果都为1时,分别代表着正数、零和负数。

  CPU 的执行机制比较有意思,假设累加寄存器中存储的 XXX 和通用寄存器中存储的 YYY 做比较,执行比较的背后,CPU 的运算机制就会做减法运算。而无论减法运算的结果是正数、零还是负数,都会保存到标志寄存器中。

  结果为正表示 XXX 比 YYY 大,结果为零表示 XXX 和 YYY 相等,结果为负表示 XXX 比 YYY 小。程序比较的指令,实际上是在 CPU 内部做减法运算。

  函数的调用和条件分支,循环机制有所不同,单纯的跳转指令无法实现函数的调用。函数的调用需要在函数内部处理后,处理流程在返回到函数调用点(函数调用指令的下一个地址)。

  接下来是基址寄存器和变址寄存器,通过这两个寄存器,可以对主存上的特定区域进行划分,以此实现类似数组的操作。

  首先,可以用十六进制数将计算机内存上的 00000000 - FFFFFFFF 的地址划分出来。这样,凡是该范围的内存地址,只要有一个 32 位的寄存器,就可以查看全部地址。

  但是,要是想像数组那样,分割特定的内存区域以达到连续查看的目的的话,使用两个寄存器会更方便一些。比如,我们用两个寄存器来表示内存的值。

  那说了这么多,CPU到底是怎么一条条的执行指令的呢?几乎全部的冯·诺伊曼型计算机的CPU,工作都可以分为5个阶段:取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

  取指令阶段就是将内存中的指令读取到CPU中寄存器的过程,程序寄存器用于存储下一条指令所在的地址;

  在指令译码阶段,指令编码器按照预先的指令格式,对取回的指令进行拆分和解释,识别区分出不同的指令类别和各种获取操作数的方法;

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